ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA PERANCANGAN SISTEM AKUISISI DATA BERBASIS ARDUINO UNTUK PENGENALAN CIRI SINYAL SUARA PARU DAN JANTUNG

Transkripsi

1 PERANCANGAN SISTEM AKUISISI DATA BERBASIS ARDUINO UNTUK PENGENALAN CIRI SINYAL SUARA PARU DAN JANTUNG SKRIPSI NIERA PUTRI KURNIASIH PROGRAM STUDI S-1 TEKNOBIOMEDIK DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA 2016

2

3

4 PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI Skripsi ini tidak dipublikasikan, namun tersedia di perpustakaan dalam lingkungan Universitas Airlangga, diperkenankan untuk digunakan sebagai referensi kepustakaan, tetapi pengutipan harus seizin penulis dan harus menyebutkan sumbernya sesuai kebiasaan ilmiah. Dokumen skripsi ini merupakan hak milik Universitas Airlangga. iv

5

6 KATA PENGANTAR Segala puji bagi Allah SWT karena rahmat dan hidayah-nya, penulis mampu menyelesaikan naskah skripsi yang berjudul Perancangan Sistem Akuisisi Data Berbasis Arduino untuk Pengenalan Ciri Sinyal Suara Paru dan Jantung. Perlu kiranya dengan ini penulis menjelaskan bahwa naskah skripsi ini ditulis sebagai salah satu syarat kelulusan dalam menempuh studi S-1 Teknobiomedik, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. Auskultasi merupakan teknik non-invasif yang sudah lama digunakan oleh ahli medis untuk mendiagnosis disfungsi pada paru-paru dengan mendengarkan suara paru-paru menggunakan stetoskop. Berdasarkan WHO pada tahun 2014, estimasi angka kematian yang disebabkan oleh penyakit paru-paru cukup tinggi dan merupakan salah satu penyebab kematian tertinggi di Indonesia. Upaya untuk mengurangi angka kematian akibat adanya penyakit paru dapat dilakukan secara dini dengan memperhatikan gejalanya, salah satu gejalanya yang dapat diamati adalah suara paru. Penelitian ini merupakan salah satu solusi dan langkah awal untuk mendiagnosis kelainan yang terjadi pada paru. Penulis menyadari bahwa naskah skripsi ini masih banyak kekurangan. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk mengembangkan penelitian ini. Surabaya, 10 Februari 2016 Penulis, Niera Putri Kurniasih vi

7 UCAPAN TERIMAKASIH Puji Syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas rahmat dan hidayah-nya, sehingga penulisan skripsi yang berjudul Perancangan Sistem Akuisisi Data Berbasis Arduino untuk Pengenalan Ciri Sinyal Suara Paru dan Jantung dapat terselesaikan dengan baik. Sholawat serta salam selalu tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW yang telah mengajarkan kita kebenaran serta kebaikan. Penulisan skripsi ini tidak lepas dari bimbingan, dukungan, serta bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Kedua orang tua tercinta, Mama Sri Mulyati dan Papa Mujiono, S.Pd. yang selalu memberikan do a yang tiada henti, dukungan, motivasi selama proses penulisan naskah skripsi, serta kedua kakak, Nieka Adara Andriani dan Nanda Langgeng Wintoko yang selalu memberikan semangat hingga terselesaikannya naskah skripsi ini, 2. Dr. Moh. Yasin, M.Si selaku Ketua Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, 3. Dr. Khusnul Ain, M.Si selaku Ketua Program Studi S-1 Teknobiomedik, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, 4. Imam Sapuan, S.Si., M.Si selaku dosen pembimbing I yang selalu memberikan kritik, saran, arahan, motivasi, bimbingan yang membangun dan meluangkan waktu bagi penulis untuk berkonsultasi sehingga naskah skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik, 5. Akif Rahmatillah, S.T., M.T selaku dosen pembimbing II yang selalu memberikan bimbingan, masukan, dan meluangkan waktu bagi penulis untuk berkonsultasi, 6. Franky Chandra Satria Arisgraha, S.T., M.T selaku dosen penguji I atas saran dan perbaikannya dalam penulisan naskah skripsi ini, vii

8 7. Dr. Prihartini Widiyanti, drg., M.Kes., S.Bio., CCD selaku dosen wali sekaligus dosen Penguji II yang telah memberikan bimbingan, arahan dan motivasi baik dalam hal akademik, maupun non akademik, 8. Seluruh dosen dan staf karyawan Departemen Fisika, khususnya Program Studi S-1 Teknobiomedik, Universitas Airlangga serta semua pihak yang telah senantiasa memberikan ilmunya dan membantu penulis selama proses penyusunan naskah skripsi ini, 9. Para penghuni Laboratorium Instrumentasi Medis dan Laboratorium Elektronika, Amila Sofiah, Novi Angga Sakti, Robi ah Adawiyyah, Zenny Nurhandini P, Azisya Amalia K, Cahyaning Dianmas, Priyanka Kusuma W, Firman Isma, Faqih Damaralam, Nikki Saksi, Ekasari, dan Mas Aries atas dukungan, bantuan, hiburan, kenangan yang tidak akan terlupakan, serta berbagai pendapat dan saran yang sangat bermanfaat, 10. Teman seperjuangan Teknobiomedik 2011, AIRBLAST, untuk pejuang Instrumentasi Medis, Nobby, Revina, Evelyn, Anggrek, Puput, Zuhda, Fitri, La Febry, Shofa, Adit, Ardy, Aries, Arif, dan Ayu, serta untuk pejuang Biomaterial, Systi, Adanti, Ludita, Dede, Icha, Hendita, Qulub, Tia, Ijus, Husni, Ewing, Dzihan, dan Hafidh yang selalu memberikan do a, semangat, masukan, dan bersama dalam suka dan duka, 11. Kakak-kakak Teknobiomedik angkatan 2008, 2009, dan 2010, serta adikadik Teknobiomedik angkatan 2012, 2013, 2014, dan 2015 yang tidak bisa disebutkan satu per satu atas bantuan dan dukungannya, 12. Mbak Nada Fitrieyatul Hikmah, Mbak Nita, dan Mbak Zilvanhisna, serta teman-teman laboratorium biomedis, Teknik Elektro ITS yang telah banyak memberikan bantuan, masukan, dan motivasi, 13. Sahabatku, Nuriyah Halida, Nur Putri Rahardiyanti, Febriyanti Anggraeni, Ichmi Alif Safitri yang selalu memberikan doa dan motivasi, 14. Adik Manikya Pramudya, Kiki Agustin Fatmala, dan Silfia Desi Anggraeni yang selalu memberikan do a, dukungan, bantuan, hiburan, kenangan yang tidak terlupakan, viii

9 15. Kakak Muhamad Arifin yang selalu memberikan semangat, do a, dan dukungan, serta menjadi teman diskusi yang paling sabar, 16. Pak Samidi, Pak Riski, dan Bu Endang, yang selalu memberikan informasi kepada penulis dan dukungannya di Lab setiap hari, 17. Serta berbagai pihak yang telah membantu proses terselesaikannya skripsi ini yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Semoga Allah SWT memberikan yang terbaik kepada saudara-saudara semua. Tentunya masih banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini, oleh karenanya penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dalam memperbaiki skripsi ini sehingga menjadi lebih baik lagi. Diharapkan skripsi ini dapat bermanfaat dalam dunia kesehatan, khususnya pada bidang teknik biomedis sendiri di Indonesia. Surabaya, 10 Februari 2016 Penulis, Niera Putri Kurniasih ix

10 Kurniasih, Niera Putri Perancangan Sistem Akuisisi Data Berbasis Arduino untuk Pengenalan Ciri Sinyal Suara Paru dan Jantung. Skripsi ini dibawah bimbingan Imam Sapuan, S.Si., M.Si. dan Akif Rahmatillah, S.T., M.T., Program Studi S-1 Teknobiomedik, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. ABSTRAK Auskultasi merupakan teknik non-invasif yang digunakan oleh ahli medis untuk mendiagnosis disfungsi paru dengan cara mendengar menggunakan stetoskop. Masalah yang timbul pada auskultasi adalah kepekaan telinga, dan ada ketumpang tindihan antara komponen frekuensi 20 Hz Hz sinyal suara jantung dengan suara paru-paru yang terletak pada frekuensi 20 Hz Hz. Suara jantung menjadi noise dalam pendiagnosaan suara paru-paru. Maka, untuk mengetahui ciri sinyal suara paru, harus mengetahui ciri sinyal suara jantung dengan metode yang tepat. Penelitian ini ditujukan untuk membuat perancangan sebuah sistem akuisisi data berbasis arduino untuk pengenalan ciri sinyal suara paru dan jantung menggunakan wavelet based denoising. Desain perancangan sistem terdiri atas bagian hardware berupa rangkaian amplifier, rangkaian notch filter, highpass filter, dan lowpass filter, Arduino Uno sebagai pengakuisisi data, serta bagian software yang terdiri dari perekaman akuisisi data dan pengolahan sinyal menggunakan wavelet based denoising pada Personal Computer (PC) menggunakan pemrograman MATLAB Pengujian perangkat dilakukan dengan 2 cara yaitu pengujian secara instrumentasi dan pengujian kinerja perangkat sistem. Pada pengujian secara instrumentasi diperoleh bahwa nilai penguatan amplifier sebesar 10,017 kali dengan linearitas sebesar 0,9997. Selain itu diperoleh frekuensi cut-off rangkaian notch filter sebesar 49 Hz, 20 Hz untuk rangkaian Highpass filter, dan 1000 Hz untuk rangkaian Lowpass Filter. Untuk pengujian kinerja alat dilakukan perekaman pada seorang naracoba pada titik auskultasi anterior atas sebelah kiri dan kanan. Diperoleh hasil bahwa sinyal suara paru terdistorsi suara jantung memiliki frekuensi dibawah 1000 Hz, sinyal jantung hasil rekonstruksi terletak di bawah frekuensi 400 Hz, dan sinyal suara paru hasil diferensiasi terletak di bawah 1000 Hz. Secara kualitatif dan kuantitatif, fitur sinyal suara paru dan suara jantung diasumsikan berhasil dipisahkan dan dikenali cirinya menggunakan wavelet based denoising. Sistem akuisisi data berbasis Arduino telah memperoleh nilai amplitudo, rentang frekuensi, dan durasi waktu sinyal sebagai kandidat suara paru normal dan abnormal. Kata kunci: auskultasi, suara paru-paru, suara jantung, wavelet based denoising, akuisisi data x

11 Kurniasih, Niera Putri Data Acquisition System Design Based Arduino for Identifying Signal Characteristics of Lung Sounds and Heart Sounds. This thesis was under guidances of Imam Sapuan, S.Si., M.Si. and Akif Rahmatillah, S.T., M.T., Biomedical Engineering, Department of Physic, Faculty of Science and Technology, Airlangga University. ABSTRACT Auscultation is a non-invasive technique that has been used by physicians to diagnose dysfunction in the lungs by listening sounds using a stetoschope. The problems of lung auscultation are sensitivity of the ear, and there is an overlap between the components of heart sound signals at the frequency of 20 Hz until 400 Hz to the lung sound signals that is located at the frequency of 20 Hz until 1000 Hz. Heart sounds becomes noise in lung sounds diagnosing. Therefore, to determine the characteristics of the lung sound signals, should know the characteristics of heart sound signals with appropriate methods. This research was aimed to design a data acquisition system based Arduino for the recognition characteristics of heart and lung sound signals using Wavelet Based Denoising. In this acquisition system, we use amplifier circuit, notch filter, highpass filter, and lowpass filter for the hardware circuit. Arduino Uno as data acquisition device, and the signal processing are processed digitally using MATLAB 2013 on Personal Computer (PC). There are 2 procedures for test this device, the instrumentation test and the acquisition system test. The result of the instrumentation test, gain of amplifier circuit is 10,017 with linearity 0,9997 and the frequency responses for notch filter is 49 Hz, 20 Hz for highpass filter, and 1000 Hz for lowpass filter. For the performance test, signals were obtained by recording from normal-male subject in the upper anterior region of the left and right chest. The result, sounds of lung distorted by heart sound signals has a frequency below 1000 Hz, heart sound of reconstruction signals is below the frequency of 400 Hz, and lung sound of substraction signal is below 1000 Hz. The feature of lung sound and heart sound signals were assumed to be successfully separated and identified using wavelet based denoising method. Data acquisition system based Arduino has obtained amplitude, range of frequency, and time duration of the signals as a candidate of normal and abnormal lung sounds. Keywords : auscultation, lung sounds, heart sounds, wavelet based denoising, data acquisition xi

12 DAFTAR ISI LEMBAR JUDUL... i LEMBAR PERNYATAAN... ii LEMBAR PENGESAHAN... iii LEMBAR PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI... iv SURAT PERNYATAAN TENTANG ORISINALITAS... v KATA PENGANTAR... vi UCAPAN TERIMAKASIH... vii ABSTRAK... x ABSTRACT... xi DAFTAR ISI... xii DAFTAR TABEL... xv DAFTAR GAMBAR... xvi DAFTAR LAMPIRAN... xix BAB I PENDAHULUAN Latar belakang Rumusan masalah Batasan masalah Tujuan penelitian Manfaat penelitian... 7 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Sistem Respirasi Anatomi dan Fisiologi Paru-paru Mekanisme Pernapasan Suara Paru-Paru Kategori Suara Paru-paru Suara Paru-paru terdistorsi Suara Jantung Jantung Anatomi dan Fisiologi Jantung Suara Jantung xii

13 2.4 Teknik Auskultasi Perangkat Keras (Hardware) Stetoskop Akustik Mic Condensor Rangkaian Penguat (Amplifier) Rangkaian Penguat Operasional (Op-Amp) Rangkaian Filter Analog Rangkaian Notch Filter Rangkaian Low Pass Filter Rangkaian High Pass Filter Arduino UNO Arduino SD card Shield Perangkat Lunak MATLAB R2013a Pengolahan Sinyal Digital Fast Fourier Transform (FFT) Transformasi Wavelet Teori Dasar Wavelet Discrete Wavelet Transform (DWT) Wavelet Based Denoising BAB III METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Prosedur Penelitian Persiapan Perancangan Hardware Pre-Amp dan Mic Condensor Rangkaian Notch Filter Rangkaian Bandpass Filter Mikrokontroler Arduino UNO Perancangan Software Perekaman data menggunakan data logger Arduino xiii

14 Pengolahan Sinyal dengan Transformasi Wavelet Transformasi Sinyal menggunakan Transformasi Fourier Pengintegrasian hardware dan software Pengujian Perangkat dan Pengambilan Data Analisis Data BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Perancangan Alat Hasil Perancangan Perangkat Keras (Hardware) Hasil Rangkaian Pre-Amplifier dan Mic Condensor Hasil Rangkaian Notch Filter Hasil Rangkaian Highpass Filter Hasil Rangkain Lowpass Filter Arduino UNO Hasil Perancangan Perangkat Lunak (Software) Hasil Pemrograman Akusisi Data Arduino UNO Hasil Pengolahan Sinyal pada MATLAB R2013a Pembahasan Analisis Kinerja Perangkat Keras Sistem Akuisisi Data Analisis Rangkaian pre-amplifier Analisis Hasil pengujian notch filter Analisis Rangkaian Highpass filter Analisis Rangkaian Lowpass filter Analisis Hasil Akuisisi dan pengolahan data BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiv

15 DAFTAR TABEL Nomor Judul Tabel Halaman 2.1 Spesifikasi Arduino UNO Karakteristik wavelet daubechies Pin I/O yang digunakan pada sistem Bandwidth Frekuensi Koefisien Dekomposisi Wavelet Perbandingan nilai durasi waktu dan segmen waktu pada S1 dan S Perbandingan Nilai frekuensi dan magnitudo sinyal menahan nafas Perbandingan Nilai frekuensi dan magnitudo sinyal bernafas xv

16 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Gambar Halaman 2.1 Sistem Respirasi Manusia Struktur Anatomi Paru-Paru Aksi Otot Respirasi Sinyal Suara Paru Bronkial Sinyal Suara Paru Bronkovesikuler Sinyal Suara Paru Vesikuler Hasil pengukuran sinyal pada anterior kiri Anatomi Jantung Hubungan Sinyal Suara Jantung dengan siklus sinyal ECG Suara Jantung Normal dan spektrum frekuensinya Lokasi Auskultasi Paru Stetoskop Akustik Blok Mic Condensor Penguat Diferensial IC Op-Amp Respon Frekuensi Filter Dasar Rangkaian notch filter Respon frekuensi notch filter Rangkaian lowpass filter Respon frekuensi lowpass filter Rangkaian Highpass Filter Respon frekuensi highpass filter Arduino UNO Tampilan Arduino IDE Perangkat SD card shield dan SD Card Software MATLAB R2013a xvi

17 2.27 Perbandingan gelombang sinusoidal dan wavelet Skema proses denoising keseluruhan Diagram blok dekomposisi sinyal tiap level Blok diagram rekonstruksi sinyal Diagram Alir Penelitian Diagram Blok Perangkat Akuisisi Data Spesifikasi IC CA Konfigurasi Kaki Pin IC CA Rancangan Skematik Mic Condensor dan pre-amp Rangkaian Notch Filter Rangkaian Highpass Filter dan Lowpass Filter Konfigurasi Pin Mikrokontroler Arduino Sirkuit Elektrik pada papan Arduino Diagram alir perekaman data logger Arduino Pengujian Linieritas Amplifier dan Filter Analog Posisi Akuisisi Data Hasil Perancangan Perangkat Keras Sistem Akuisisi berbasis Arduino Hasil Rangkaian pre-amplifer dan mic condensor Hasil Rangkaian Notch Filter Hasil Rangkaian Highpass Filter Hasil Rangkaian Lowpass Filter Perangkat Arduino UNO R Diagram alir program pengolahan sinyal pada MATLAB Sinyal Akuisisi pada posisi anterior kiri atas menahan nafas Sinyal Akuisisi pada posisi anterior kanan atas menahan nafas Sinyal Akuisisi pada posisi anterior kiri atas bernafas Sinyal Akuisisi pada posisi anterior kanan atas bernafas Hasil dekomposisi sinyal anterior kiri atas tahan nafas Hasil koefisien wavelet setelah thresholding Sinyal rekonstruksi anterior kiri atas menahan nafas Sinyal rekonstruksi anterior kanan atas menahan nafas xvii

18 4.16 Sinyal rekonstruksi anterior kiri atas bernafas Sinyal rekonstruksi anterior kanan atas bernafas Sinyal diferensiasi anterior kiri atas menahan nafas Sinyal diferensiasi anterior kanan atas menahan nafas Sinyal diferensiasi anterior kiri atas bernafas Sinyal diferensiasi anterior kanan atas bernafas Pengujian sinyal pada rangkaian penguat Grafik hubungan linearitas rangkaian penguat Pengujian sinyal rangkian notch filter Respon frekuensi rangkaian notch filter Pengujian sinyal rangkaian highpass filter Respon frekuensi rangkaian highpass filter Pengujian sinyal rangkaian lowpass filter Respon frekuensi rangkaian lowpass filter Hasil pengukuran sinyal pada anterior kiri atas tahan nafas Perbandingan sinyal pada posisi anterior kiri atas tahan nafas Perbandingan spektrum frekuensi posisi anterior kiri atas tahan nafas Hasil pengukuran sinyal pada anterior kanan atas tahan nafas Perbandingan sinyal pada posisi anterior kanan atas tahan nafas Perbandingan spektrum frekuensi posisi kanan atas tahan nafas Hasil pengukuran sinyal pada anterior kiri atas bernafas Perbandingan sinyal pada posisi anterior kiri atas bernafas Perbandingan spektrum frekuensi posisi kiri atas bernafas Hasil pengukuran sinyal pada anterior kanan atas bernafas Perbandingan sinyal pada posisi anterior kanan atas bernafas Perbandingan spektrum frekuensi posisi kanan atas bernafas Perbandingan sinyal suara paru-paru xviii

19 DAFTAR LAMPIRAN Nomor Judul Lampiran Halaman 1 Skematik Rangkaian Hardware Koding Program Pengolahan Sinyal Digital pada MATLAB Data Hasil Pengujian Rangkaian Amplifier Data Hasil Pengujian Rangkain Notch Filter Data Hasil Pengujian Rangkain Highpass Filter Data Hasil Pengujian Rangkain Lowpass Filter Dokumentasi Pengambilan Data Naracoba xix